【文献分享学习】都市农业土壤健康的时空动态

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原名：Spatiotemporal dynamics of soil health in urban agriculture

译名：都市农业土壤健康的时空动态

原文地址：

https:///10.1016/j.scitotenv.2021.150224

发表期刊：Science of the Total Environment

发表年份：2021年

通讯作者：M.J.Salomon

通讯作者单位：The University of Adelaid

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亮点

(1) 一年内对三个地点进行了重复采样，以了解土壤健康特性；

(2) 全年植物可利用氮变化很大；

(3) 总氮和碳的浓度逐渐降低；

(4) 宏基因组分析揭示了潜在的人类病原体的存在；

(5) 土壤微生物群落沿时空梯度转移。

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文章简介

     关于城市农业土壤状况的数据很少。为了制定有效的管理措施，有必要了解这些系统土壤健康的季节动态。这项研究在一年的时间里每月对两个社区花园和一个商业、城市农业场地进行抽样调查。动态分析检测了土壤的营养、化学和微生物特性。社区花园的植物多样性明显高于商业场所。对土壤养分的分析揭示了矿质氮随季节条件和持续高浓度的植物有效磷的波动。研究发现全年土壤总氮和碳浓度逐渐降低。土壤中富含丛枝菌根真菌孢子。利用16S及其扩增子进行土壤代谢编码，揭示了施用有机肥后微生物多样性和变化的季节梯度。土壤中也检测到了土壤传播的潜在人类病原体。这项研究的结果提供了有关城市农业系统中土壤管理原则的相关信息。这些原则包括覆盖和使用营养平衡堆肥来抵消碳库减少和磷的过度积累。

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材料与方法

（1）研究区

       三个地点均位于阿德莱德（澳大利亚）大都市区，中心商务区周围半径不到9公里。第一个场地是一个社区花园，周围是社区中心和住宅，该地区填充了市政盆栽土壤，这些土壤来自当地的有机废物回收设施，同时用堆肥和有机肥料（主要是马粪）对基质进行进一步改良。场地二是一个面积约2100平方米的社区花园，，这块土地被用作果酱工厂，一些原始果树仍保留在现场，生产在原始土壤中进行，并用现场生产的堆肥进一步改良，该场地还饲养了牲畜，即蜜蜂和鸡，后者完全融入了花园的营养循环。第三个地点是一个商业农场，尽管该场地位于居民区，但它有工业用途（金属加工）的历史，植物直接生长在自然土壤中，土壤经过有机肥料、商业和现场生产的堆肥以及无机土壤改良剂（如沙子或石粉）的改良。

（2）土壤采样与测量指标

       社区花园的选择标准是具有高植物丰富度的活跃植被和园丁报告任何主要园艺活动（如施肥）的承诺。对于商业田块，选择了四个平均凸起床大小的区域，并用于取样。选择用于连续土壤和气体采样的花园床分为四个大小相等的象限进行复制。

      植物多样性指标：物种丰富度、有效物种数（ENS）；土壤物理化学性质指标：土壤pH、电导率（EC）、植物有效磷、总碳、总氮、土壤含水率、潜在矿化氮（PMN）；土壤生物多样性指标：土壤呼吸、丛枝菌根真菌的孢子数、真菌和细菌基因序列。

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研究结果

（1）植物多样性

       在整个一年中，两个社区花园的物种丰富度和有效物种数（ENS）均显著高于商业用地。社区花园的植物种类通常包括观赏植物或多年生植物，如Capparis spinosa或醋栗Physalis peruviana。在大多数情况下，主要植物种类是阿德莱德地中海气候季节的典型作物。

（2）土壤养分

      氮的矿物形态（NH4+和NO3-）在一年中表现出很大的可变性。单个样品的范围从土壤提取物中检测不到（低于0.1 mg L-1）、高达123 mg kg-1（NH4+）和185 mg kg-1（NO3-）。矿质氮浓度在夏季前后几个月最低，冬季略有增加。2019年10月至11月期间，施用化肥后，三号田块的矿质氮显著增加。

（3）土壤pH和EC

       土壤pH值和EC在所有田块之间存在显著差异，田块3显示了最多变的模式。站点1和站点2的pH值平均保持在7和7之间。而位点3则表现出更强的下降，几乎达到pH值6。5.站点1和站点2的EC彼此之间的差异很小。田块3的土壤EC开始和结束水平与其他两个田块相似，但在2019年1月表现出更强的最大值。在田块3，土壤EC的模式几乎与土壤pH相反。

（4）土壤微生物与生物活性

      这三个地点的土壤呼吸动力学非常相似，所有田块的土壤呼吸峰值出现在2018年12月至2019年1月南方夏季期间。孢子数量在两个采样日期之间相对一致，仅在2018年10月至2019年4月期间，站点3的孢子数量显著增加。细菌和古细菌的土壤代谢编码（16S rRNA）显示所有样本之间共有41005个分类群，其中最常见的门是放线菌门。田块1的α多样性高于田块3，尤其是在12月和3月，在9月和6月有一些重叠。当表示为PCoA时，两个位置之间的ITS微生物分布图彼此之间的差异相同。在2018年9月和12月之间，现场3在四个采样日期显示出明显的垂直梯度。

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结论与展望

      城市农业为城市可持续性和恢复力社区提供了新的机会。其最突出的特点之一是城市边界内的粮食生产。然而，人们对城市农业中的土壤健康及其如何影响城市粮食生产的可持续性知之甚少。本研究每月从三个不同的城市农业地点收集土壤样本，以评估土壤健康的时空动态。矿物氮（NH4+和NO3-）全年变化很大；PMN每三个月测量一次，这表明矿化后植物吸收了相对较大的氮库；土壤中植物有效磷浓度的变化小于氮，所有地点都远高于大多数作物的临界浓度；施用有机肥对土壤pH和EC的动态影响很大；土壤呼吸是唯一一个在不同地点之间没有显著差异的指标，因此突出了温度和降水等环境条件对土壤呼吸的巨大影响。

      城市农业已被提议作为可持续粮食生产和恢复社区活力的多功能工具。然而，在城市农业期刊预证明期刊预证明系统中，缺乏针对土壤健康的研究。利用动态方法，作者发现了可能破坏这些系统生产力的潜在土壤健康限制。值得注意的是，所有地点的植物养分浓度都不平衡，植物有效磷（Colwell）过量。全年总碳和总氮的浓度不断下降，而矿质氮的浓度变化很大。这些问题可以通过强调使用C:N:P化学计量平衡的肥料来缓解。需要进行更多的研究，以从城市废物中生产这种堆肥，并评估其对植物生长和土壤健康的影响。在土壤微生物群落方面，出现了关于高磷条件下AMF的存在及其对植物和土壤健康的潜在影响的开放性研究问题。为了充分解决城市农业对粮食安全的贡献问题，未来的研究需要关注作物产量、系统生产力和投入产出分析。